[ 摘要 ] 在 ADAMS 仿真軟件中創(chuàng)建懸架制動(dòng)抖動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型。為了考慮懸架零部件模態(tài)對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)信號(hào)的影響，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)及有限元模態(tài)分析，在此基礎(chǔ)上搭建制動(dòng)抖動(dòng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ汀Ｔ跁r(shí)域和頻域中分別進(jìn)行仿真，考察各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)加速度的 RMS 值，辨識(shí)出懸架在制動(dòng)抖動(dòng)過(guò)程中的傳遞路徑以及共振頻率，證明懸架的襯套剛度并非只對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)起到衰減作用，隨著振動(dòng)頻率的變化有時(shí)會(huì)起到放大的作用。

引言

對(duì)于制動(dòng)抖動(dòng)的研究主要集中于兩個(gè)方面：一是基于整車的制動(dòng)抖動(dòng)傳遞路徑研究；二是制動(dòng)抖動(dòng)問(wèn)題及關(guān)鍵因素研究。而對(duì)于研究傳遞路徑中的主要放大環(huán)節(jié)來(lái)削弱甚至消除制動(dòng)時(shí)方向盤(pán)發(fā)生抖動(dòng)的現(xiàn)象，從懸架角度進(jìn)行的研究和討論較少 [1]。目前的研究成果主要以論文的形式出現(xiàn)，其中瑞典學(xué)者 Jacobsson H.[2] 建立了制動(dòng)器的定子轉(zhuǎn)子模型，模型以制動(dòng)鉗為定子，制動(dòng)盤(pán)為轉(zhuǎn)子，以制動(dòng)鉗的振動(dòng)加速度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)建立幅值函數(shù)分析初始速度、減速度以及阻尼參數(shù)的影響。同濟(jì)大學(xué)寧國(guó)寶 [3] 等建立了 SRO 向 DTV 轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò) ADAMS/View 驗(yàn)證了其轉(zhuǎn)化過(guò)程。孟德建 [4]等則提出利用制動(dòng)器多點(diǎn)接觸模型來(lái)分析預(yù)測(cè) DTV/SRO 對(duì) BTV/BPV 的影響，與單點(diǎn)接觸模型對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其更接近試驗(yàn)結(jié)果。

本文將進(jìn)行制動(dòng)抖動(dòng)傳遞路徑的研究，包括試驗(yàn)研究和仿真研究。試驗(yàn)研究表明，制動(dòng)力矩的波動(dòng)導(dǎo)致地面制動(dòng)力的波動(dòng)，引起前懸架的擺振 [5]。該振動(dòng)通過(guò)懸架和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的傳遞和放大，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)向盤(pán)的抖動(dòng)。通過(guò)副車架的傳遞，引起車身地板的抖動(dòng)。在設(shè)計(jì)懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)通過(guò)對(duì)各個(gè)零部件的參數(shù)合理定義，將懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有頻率與振動(dòng)激勵(lì)的頻率范圍錯(cuò)開(kāi)，使得振動(dòng)得到抑制。

1 基于 ADAMS 的懸架動(dòng)力學(xué)模型

創(chuàng)建懸架動(dòng)力學(xué)模型之前，需要對(duì)懸架各零部件之間的連接關(guān)系進(jìn)行分析。本文僅對(duì)懸架系統(tǒng)在制動(dòng)抖動(dòng)中的作用進(jìn)行分析，不考慮車身和副車架的影響，因此將它們簡(jiǎn)化為固定不動(dòng)的大地；同時(shí)，分離轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的內(nèi)部摩擦和阻尼對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)的影響，將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)等效剛度的襯套，轉(zhuǎn)向節(jié)通過(guò)此襯套與大地相連。對(duì)簡(jiǎn)化后的懸架系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系分析可知：轉(zhuǎn)向節(jié)與下擺臂通過(guò)球鉸連接；轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向橫拉桿處通過(guò)襯套連接到大地上；轉(zhuǎn)向節(jié)與減振器套筒下點(diǎn)通過(guò)固定副連接；下擺臂內(nèi)側(cè)通過(guò)前后兩個(gè)襯套與副車架連接；活塞桿與減振器套筒之間為圓柱副，與上支撐之間通過(guò)襯套連接；上支撐固定在大地上；螺旋彈簧上端與上支撐連接，下端與減振器套筒上的彈簧支座相連。

2 模型仿真

對(duì)懸架模型進(jìn)行仿真，得到各個(gè)零部件的測(cè)點(diǎn)加速度隨時(shí)間的變化曲線。通過(guò)曲線可以看出，各測(cè)點(diǎn)的加速度會(huì)隨著時(shí)間的增加而呈現(xiàn)增大和減小的變化，這說(shuō)明在振動(dòng)掃頻過(guò)程中，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度會(huì)隨頻率的不同而產(chǎn)生共振。對(duì)該曲線作快速傅里葉變換，得到此測(cè)點(diǎn)各方向的加速度隨頻率的變化，可以得到共振峰所在的頻率。圖 1~ 圖 3 為控制臂前點(diǎn)在x向、z向和y向的加速度響應(yīng)曲線。



從曲線中明顯可見(jiàn)，控制臂前測(cè)點(diǎn)的加速度共振峰主要出現(xiàn)在低頻段的 15 Hz，24 Hz，71Hz 和 115 Hz 處。

根據(jù)文獻(xiàn) [6] 可知，控制臂、減振支柱和轉(zhuǎn)向節(jié)均是制動(dòng)抖動(dòng)傳遞路徑中的重要部件，需要考慮各零部件的模態(tài)在傳遞路徑中的作用。在 ADAMS 軟件中考慮零部件模態(tài)的影響，需要將各個(gè)零部件的柔性體文件導(dǎo)入 ADAMS 中，創(chuàng)建剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。為了確定懸架各個(gè)零部件的模態(tài)頻率及振型，對(duì)控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)和減振器套筒進(jìn)行有限元模態(tài)分析和自由模態(tài)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比有限元的分析結(jié)果和模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整材料參數(shù)，使模態(tài)振型和頻率的誤差在 5% 以內(nèi)。

3 懸架時(shí)域分析

在 ADAMS 中創(chuàng)建懸架的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為 5，仿真步數(shù)為 15 000 的時(shí)域信號(hào)仿真。關(guān)鍵連接點(diǎn)處的振動(dòng)加速度或位移隨時(shí)間的變化曲線，見(jiàn)圖 4。
由圖 4 可以看出：在等幅掃頻力矩的激勵(lì)下，各測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)加速度都先隨轉(zhuǎn)速的減小而增大，出現(xiàn)了幾次明顯的共振現(xiàn)象。而后隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步減小，加速度幅值開(kāi)始衰減。
這說(shuō)明，懸架對(duì)于制動(dòng)抖動(dòng)會(huì)起到衰減作用，振動(dòng)信號(hào)傳遞過(guò)程中經(jīng)過(guò)的零部件越多，制動(dòng)抖動(dòng)衰減得越多；在一些頻率上，懸架對(duì)振動(dòng)信號(hào)起著放大作用，會(huì)加速制動(dòng)抖動(dòng)的影響。

為了得到懸架對(duì)于制動(dòng)抖動(dòng)的放大作用主要發(fā)生在哪些頻率，對(duì)測(cè)量得到的各點(diǎn)的加速度信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，分析共振峰所出現(xiàn)的頻率。




圖 5 說(shuō)明在從制動(dòng)盤(pán)到轉(zhuǎn)向橫拉桿球頭處，懸架在頻率 58 Hz，105.7 Hz，128.7 Hz 時(shí)出現(xiàn)峰值，表明懸架系統(tǒng)在這些頻率處對(duì)振動(dòng)起到放大作用。據(jù)此判斷振動(dòng)信號(hào)傳遞路徑為：制動(dòng)卡鉗 →轉(zhuǎn)向節(jié)→轉(zhuǎn)向橫拉桿→方向盤(pán)。此處的共振作用會(huì)引起方向盤(pán)的抖動(dòng)，令駕駛員產(chǎn)生疲勞及不安全感。



圖 6 說(shuō)明從制動(dòng)盤(pán)到轉(zhuǎn)向橫拉桿球頭處的 x 向，懸架在頻率 33 Hz，58 Hz，106 Hz，129 Hz 時(shí)出現(xiàn)峰值，對(duì)振動(dòng)信號(hào)起到放大作用。其中在 58 Hz 時(shí)共振峰值較大，說(shuō)明在此頻率下轉(zhuǎn)向橫拉桿球頭在整車 x 方向出現(xiàn)振動(dòng)。這種振動(dòng)傳遞至方向盤(pán)同樣會(huì)引起駕駛者的疲勞和不適。

圖 7 說(shuō)明減振器上支撐點(diǎn)處的加速度共振峰值能量相對(duì)其他測(cè)量點(diǎn)的能量較小，在 108 Hz 處有明顯峰值，而在 58 Hz 處的共振峰值則不像其他測(cè)點(diǎn)那么明顯。振動(dòng)信號(hào)的傳遞路徑為：制動(dòng)卡鉗→轉(zhuǎn)向節(jié)→減振器套筒→減振器活塞桿→上支撐點(diǎn)。由于經(jīng)過(guò)多個(gè)零部件的傳遞，信號(hào)能量已經(jīng)得到衰減。



相比較多剛體的懸架模型，剛?cè)狁詈蠎壹苣Ｐ透鱾€(gè)測(cè)點(diǎn)的幾個(gè)共振頻率普遍會(huì)向后段移動(dòng)，但共振峰并沒(méi)有消失?？梢?jiàn)零部件的模態(tài)將會(huì)對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)時(shí)懸架共振的頻率有著較大的影響，建模時(shí)考慮零部件的模態(tài)是很有必要的。

4 頻域分析

ADAMS 提 供 了 振 動(dòng) 分 析 模 塊 ADAMS/ Vibration，可以對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行頻域內(nèi)的模態(tài)分析及頻率響應(yīng)分析。在 ADAMS/Vibration 中可以快速創(chuàng)建振動(dòng)分析的輸入輸出通道，對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)和頻響分析。根據(jù)之前時(shí)域分析的結(jié)果，選取懸架系統(tǒng)在共振頻率附近的固有特性，在后處理界面中查看懸架振型的動(dòng)畫(huà)，選取懸架在 33 Hz，62 Hz，110 Hz 和 128 Hz 處的振型。為考察懸架關(guān)鍵點(diǎn)振動(dòng)特性，本文選取 4 個(gè)懸架中的關(guān)鍵點(diǎn)作為測(cè)點(diǎn)，并對(duì)其測(cè)點(diǎn)所在的傳遞路徑進(jìn)行傳遞函數(shù)的分析。這 4 個(gè)測(cè)點(diǎn)及傳遞路徑分別為：

1. 減振器支柱測(cè)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)制動(dòng)器 - 減振器支柱傳遞路徑；
2. 控制臂前點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)制動(dòng)器 - 控制臂前點(diǎn)傳遞路徑；
3. 控制臂后點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)制動(dòng)器 - 控制臂后點(diǎn)傳遞路徑；
4. 轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向橫拉桿連接點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的制動(dòng)器 - 轉(zhuǎn)向橫拉桿外點(diǎn)傳遞路徑。

由圖 8 所示，從傳遞路徑分析中可印證之前時(shí)域分析的結(jié)果：控制臂前后點(diǎn)對(duì)應(yīng)的制動(dòng)器 控制臂 - 副車架傳遞路徑為最主要的傳遞路徑，且在這兩個(gè)傳遞路徑中，均存在這 2 個(gè)最高的峰值 33 Hz 和 62 Hz，這兩個(gè)頻率均非常接近 33Hz 和 58 Hz 這兩個(gè)共振頻率，因此可知制動(dòng)抖動(dòng)在這兩個(gè)峰值附近均發(fā)生了共振現(xiàn)象，加劇了抖動(dòng)的產(chǎn)生和傳遞。可見(jiàn)制動(dòng)抖動(dòng)由制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生，通過(guò)懸架系統(tǒng)傳遞到車身、副車架及轉(zhuǎn)向盤(pán)，再由車身及副車架傳遞至駕駛室，最終影響到乘員的感受。



5 結(jié)語(yǔ)

本文利用 ADAMS 多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，在時(shí)域和頻域中仿真關(guān)鍵參數(shù)對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)特性的影響并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將制動(dòng)抖動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)化為正弦掃頻信號(hào)，分別對(duì)多剛體的懸架動(dòng)力學(xué)模型及剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型進(jìn)行制動(dòng)抖動(dòng)仿真。包含零部件柔性體模型的共振頻率較剛體模型大，共振峰值數(shù)并沒(méi)有減少。對(duì)懸架零部件進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，并與有限元的模態(tài)仿真結(jié)果對(duì)比校準(zhǔn)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)仿真，保證了模型的精度和仿真結(jié)果的可信度，為以后剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型的搭建和調(diào)試提供了一種可行的方法。

受到試驗(yàn)條件的限制，沒(méi)有進(jìn)行懸架系統(tǒng)的模態(tài)試驗(yàn)以驗(yàn)證本文仿真模型的正確性，建議后期進(jìn)行懸架系統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)以及制動(dòng)抖動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)與仿真對(duì)標(biāo)結(jié)果進(jìn)行模型的參數(shù)的修正。